高溫合金概述

1、實用標(biāo)準(zhǔn)文案1.1高溫合金1.1.1高溫合金及其發(fā)展概況高溫合金是指以鐵、鉆、鎳為基體，能在 600C以上溫度，一定應(yīng)力條件下 適應(yīng)不同環(huán)境短時或長時使用的金屬材料。具有較高的高溫強(qiáng)度、塑性，良好的抗氧化、抗熱腐蝕性能，良好的熱疲勞性能，斷裂韌性，良好的組織穩(wěn)定性和使 用可靠性。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和 使用的可靠性，基于上述性能特點，且高溫合金的合金化程度很高，故在英美稱 之為超合金(Superalloy )。高溫合金于20世紀(jì)40年代問世，最初就是為滿足噴氣發(fā)動機(jī)對材料的耐高 溫和高強(qiáng)度要求而研制的，高溫合金的發(fā)展與航空發(fā)動機(jī)的進(jìn)步密切相關(guān)，1939 年

2、英國Mond鎳公司首先研究出Nimonic75，隨后又研究出Nimonic80合金，并 在1942年成功用作渦輪氣發(fā)動機(jī)的葉片材料，此后該公司又在合金中加入硼、 鋯、鉆、鉬等合金元素，相繼開發(fā)成功 Nimonic80A、Nimonic90等合金，形成 Nimonic合金系列。如今先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)中高溫合金用量已超過50%此外，在航天、核工程、能源動力、交通運輸、石油化工、冶金等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 高溫合金在滿足不同使用條件中得到發(fā)展，形成各種系列的合金，除傳統(tǒng)的高溫合金外，還開發(fā)出一批高溫耐磨、高溫耐蝕的合金。高溫合金是航空發(fā)動機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高溫?zé)岫瞬考牟豢纱?的材料，由于其用

3、途的重要性，對材料的質(zhì)量控制與檢測非常嚴(yán)格。高溫合金的 基本用途仍舊是飛行器的燃?xì)廨啺l(fā)動機(jī)的高溫部分，它要占先進(jìn)的發(fā)動機(jī)重量的50%以上。然而，這些材料在高溫下極好的性能已使其用途遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這一行 業(yè)。除了航空部件之外，規(guī)定將這些合金用于艦船、工業(yè)、陸地發(fā)電站以及汽車 用途的渦輪發(fā)動機(jī)上。具體的發(fā)動機(jī)部件包括渦輪盤、葉片、壓縮機(jī)輪、軸、燃 燒室、后燃燒部件以及發(fā)動機(jī)螺栓。除了燃?xì)獍l(fā)動機(jī)行業(yè)之外，高溫合金還被選 擇用于火箭發(fā)動機(jī)、宇宙、石油化工、能源生產(chǎn)、內(nèi)燃燒發(fā)動機(jī)、金屬成形(熱加工工模具)、熱處理設(shè)備、核電反應(yīng)堆和煤轉(zhuǎn)換裝置。1956年我國正式開始研究高溫合金，第一種高溫合金是 GH3O30

4、用作WP-5 火焰筒。上個世紀(jì)60年代先后研制成功GH4037 K417等。至70年代初，我國 高溫合金的生產(chǎn)研究已經(jīng)初具規(guī)模，在這一階段，主要是仿制、發(fā)展蘇聯(lián)高溫合 金及其工藝，質(zhì)量達(dá)到了相當(dāng)水平。70年代后，我國開始引進(jìn)和試制了一批歐 美體系的高溫合金，研究生產(chǎn)了一批新型鎳基合金，如GH4133 GH4133B K405等。幾十年來，我國已經(jīng)研究生產(chǎn)了 100多種高溫合金，形成了較為完備的研究 生產(chǎn)體系，同時發(fā)展了一系列具有特色的工藝技術(shù)，為我國航空事業(yè)提供了有力的保障。高溫合金的發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個階段：二十世紀(jì)40年代以前提出概念，40-50年代實現(xiàn)在噴氣發(fā)動機(jī)的應(yīng)用，50-60年代在真

5、空熔煉技術(shù)取得重大進(jìn)展， 60-70年代集中在合金化方面，70年代后主要在工藝研究方面，定向凝固、單晶 合金、粉末冶金、機(jī)械合金化和陶瓷過濾等新工藝成為高溫合金發(fā)展的主要動力， 其中定向凝固工藝制備的單晶合金尤為重要，在航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片中應(yīng)用尤為 廣泛。二十世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外廣泛開展數(shù)值模擬研究，取得了重要進(jìn)展， 并在此基礎(chǔ)上開展了顯微組織及冶金缺陷預(yù)測研究。1.1.2高溫合金的種類（一）鐵基高溫合金鐵基高溫合金的定義是，這些合金的主要組分為鐵，并含有相當(dāng)數(shù)量的鉻和 鎳，通常鎳含量大約為25%-55% Ni+Fe65%為基，盡可能含有少量的鉬和鎢。 因為鐵基高溫合金中鎳含量較高，所以也

6、稱鐵 -鎳基高溫合金。其強(qiáng)化方式為碳 化物或金屬間化合物沉淀強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。金屬間化合物通常為Ni3（AI,Ti）即'相。鐵基高溫合金是由奧氏體不銹鋼演化而來的。各種合金元素的加入對合金帶來一種或多種所期望的性能。對于具有面心立 方母體的合金，最有效地強(qiáng)化是由像 Ni、Al、Ti、Nb這樣的元素實現(xiàn)的。這類 合金也可通過加入相對大量的碳（約0.5%）以形成碳化物沉淀來強(qiáng)化，有時加入 氮和磷以增加這種作用。（二）鉆基高溫合金鉆基高溫合金是以鉆作為主要成分，含有相當(dāng)數(shù)量的鎳、鉻、鎢和少量的鉬、 鈮、鉭、鈦、鑭。偶然也還含有鐵的一類合金，與其他高溫合金不同，它不是由 與基體牢固結(jié)合的有序沉淀

7、相來強(qiáng)化，而是由已被固溶強(qiáng)化的奧氏體fee母體和 母體中分布少量碳化物組成。鑄造鉆基高溫合金卻是在很大程度上依靠碳化物強(qiáng) 化。純鉆晶體在417C以下是密排六方（hep）晶體結(jié)構(gòu)，在更高溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)?fee。為了避免鉆基合金在使用時發(fā)生這種轉(zhuǎn)變，實際上所有鉆基合金由鎳合金 化，以便在室溫到熔點溫度范圍內(nèi)使組織穩(wěn)定化。鉆基合金具有平坦的斷裂應(yīng)力-溫度關(guān)系，但在1000 r以上卻顯示出比其他高溫下具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能， 這可能是因為該合金含鉻量較高， 這是這類合金的一個特征。鉆基合金比鎳基合 金的焊接性能和抗熱疲勞性能更好。（三）鎳基高溫合金鎳基高溫合金是指在650C-1200 r范圍內(nèi)使用，以鎳

8、為基體的奧氏體型合 金。具有在使用溫度下較高的強(qiáng)度，優(yōu)良的抗氧化和抗腐蝕性，是應(yīng)用最廣泛的 高溫合金。鎳基高溫合金廣泛地應(yīng)用于制造航空發(fā)動機(jī)、各類燃?xì)廨啓C(jī)熱部件， 如渦輪部分的工作葉片、導(dǎo)向熱片、渦輪盤和燃燒室等，由于鎳基高溫合金的工 作溫度高、組織穩(wěn)定，有害相少，抗氧抗熱腐蝕性好，能在較高溫度和應(yīng)力條件 下工作，因此在高溫合金中占重要地位。目前先進(jìn)的發(fā)動機(jī)上鎳基高溫合金已占 總量重的一半左右，不僅渦輪葉片和燃燒室，而且渦輪盤甚至壓氣機(jī)葉片也開始 使用鎳基合金。鎳基高溫合金按工藝分為變形、鑄造（定向、單向、共晶）、彌 散強(qiáng)化機(jī)械合金化，快速凝固粉末合金四類，依靠新工藝開發(fā)不僅可提高高溫合 金性

9、能，還相應(yīng)開發(fā)出多種新合金。1鎳基變形高溫合金鎳基變形高溫合金是以鎳為基體（大于 50%的可塑性變形的高溫合金。在 650r -1200 r溫度下具有較高的強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。 分為固 溶體強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化兩類。自1941年英國發(fā)明第一種Nimonic75合金以來，由 于其基體穩(wěn)定，合金化強(qiáng)化潛力大，綜合性能優(yōu)異等，得到系列發(fā)展和廣泛應(yīng)用。固溶強(qiáng)化型合金通過添加與Ni原子尺寸不同的 W,Mo,Cr等使基體晶格畸變；加入降低合金層錯能元素Co；減緩基體擴(kuò)散速率元素W,Mc等，可獲得一定高溫強(qiáng)度、抗氧化、抗燃?xì)飧g，冷熱疲勞性能好，具有良好冷成型和焊接性能的系列合金。沉淀強(qiáng)化型合金主

10、要是通過固溶處理進(jìn)行時效處理； 從過飽和固溶體丫中沉淀出丫 相，阻 礙位錯運動而實現(xiàn)強(qiáng)化合金。其次輔助以固溶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化。具有較高的高溫 蠕變強(qiáng)度、抗疲勞性能與抗氧化、抗腐蝕性能。2鎳基鑄造高溫合金鎳基鑄造高溫合金是以鎳為基體，用鑄造工藝成型的高溫合金。在600C-1100 °C的氧化和燃?xì)飧g氣氛中，可承受復(fù)雜應(yīng)力長期可靠的使用。廣泛應(yīng)用 于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片、 渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及航天、能源、石油化工等領(lǐng) 域的高溫結(jié)構(gòu)件。固溶強(qiáng)化是通過向基體中添加不同量的 Cr,Co,W,Mo,Ta,Nb等元素，提高原 子間結(jié)合力，使晶格畸變，降低堆垛層錯能，產(chǎn)生短程有序及其原子偏聚，阻止

11、 位錯運動，降低固溶體中元素擴(kuò)散系數(shù)，強(qiáng)化合金基體。沉淀強(qiáng)化是通過添加 AI,Ti,Nb,Ta,Hf,Re 等元素，形成穩(wěn)定的丫相；加入 C,B等元素與 Cr,Ti,Nb,Hf,W,Mo等形成各類碳化物，強(qiáng)化合金及晶界，強(qiáng)化作用取決于強(qiáng)化 相的類型、數(shù)量、形態(tài)、大小和分布。晶界強(qiáng)化通過加入微量B,Zr稀土元素添補(bǔ)原子空位，提高晶界合金化程度，凈化晶界，減緩晶界擴(kuò)散，強(qiáng)化在高溫應(yīng)力 作用下合金的薄弱環(huán)節(jié)晶界。1.1.3高溫合金的強(qiáng)化（一）強(qiáng)化原理1固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化是將一些合金元素加入到鐵、鎳或鉆基高溫合金中，而僅形成單相 奧氏體來達(dá)到強(qiáng)化的目的。高溫合金中，合金元素的固溶強(qiáng)化作用首先是與溶質(zhì) 和

12、溶劑原子尺寸因素差別相關(guān)聯(lián)，此外兩種原子的電子因素差別和化學(xué)因素差別 都有很大影響，而這些因素也是決定合金元素在基體中的溶解度的因素。固溶強(qiáng)化提高熱強(qiáng)性主要反映在兩方面：(1) 通過原子結(jié)合力的提高和晶格的畸變， 使在固溶體中的滑移阻力增加， 也就是使滑移變形困難而強(qiáng)化，這在溫度 TW 0.6T熔(熔點的絕對溫度)時是相 當(dāng)重要的。(2) 在高溫使用條件下(T>0.6T 熔)更為突出的是通過原子結(jié)合力的提高， 降低固溶體中元素的擴(kuò)散能力，提高再結(jié)熔晶溫度，阻礙擴(kuò)散式形變過程的進(jìn)行， 因而直接影響滑移變形對形變量的貢獻(xiàn)。2第二相強(qiáng)化(1) 內(nèi)應(yīng)力場的作用 以丫相強(qiáng)化為例，由于丫相在基體中共

13、格析出， 而在丫相周圍造成高的彈性應(yīng)力場。顯然丫相與基體的點陣錯配度越大，內(nèi)應(yīng)力場也越強(qiáng)，相應(yīng)得強(qiáng)化效果也應(yīng)該是越顯著， 同時也增大了丫相本身的不 穩(wěn)定性。(2) 位錯在第二相前受阻，通過擴(kuò)散機(jī)構(gòu)繞過第二相障礙的作用(3) 位錯與第二相顆粒的交互作用 鐵、鎳及高溫合金中析出的丫相，由 于它與基體共格，具有與基體丫相同的晶體點陣，所以它能夠被在基體滑移面上 移動的位錯所切割，形成超點陣位錯和反相疇界。第二相質(zhì)點的大小、間距、數(shù)量及分布，直接影響其強(qiáng)化機(jī)制。3晶界強(qiáng)化與室溫強(qiáng)化相反，晶界在高溫形變時表現(xiàn)為薄弱環(huán)節(jié)，因而在破斷時呈現(xiàn)晶 間斷裂的特征。晶界的晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，原子排列雜亂，晶格歪扭，同時

14、又有各種晶體缺陷（如位錯、空洞等）存在。在室溫快速形變下，由于晶界不參與形變， 并且可阻止晶內(nèi)滑移的貫穿，因而有利于合金的強(qiáng)化。但是，在高溫蠕變時，晶 界弱化并參與變形，有時晶界形變量甚至可占總形變量的50%在某種程度上可以認(rèn)為，在常溫下，晶界強(qiáng)度比晶內(nèi)高，但晶界強(qiáng)度隨溫度升高下降的很快，在 某一溫度區(qū)間，晶內(nèi)強(qiáng)度與晶界強(qiáng)度大致相當(dāng)。溫度再升高，晶界強(qiáng)度就比晶內(nèi) 強(qiáng)度低。晶界通過多種途徑對多晶材料產(chǎn)生重大的影響（1）位向的作用。這里僅指晶界兩邊的晶粒位向不同而造成的影響；（2）晶界區(qū)結(jié)構(gòu)的作用。這里不僅指晶界去本身的結(jié)構(gòu)和缺陷特點，而且還指在晶界區(qū)存在的第二相質(zhì)點的狀態(tài)，及晶界區(qū)的其它組織結(jié)構(gòu)

15、特點；（3）晶界區(qū)化學(xué)成分（偏析）的作用。由于晶界區(qū)的結(jié)構(gòu)和缺陷特點，會 帶來雜質(zhì)元素或其它元素（特別是微量元素）的偏析；由于晶界區(qū)的某些動力學(xué) 現(xiàn)象，造成元素的局部貧富。晶界的強(qiáng)化方式： 添加有益的合金化元素，主要包括稀土元素， 鎂、鈣、鋇、硼、鋯等元素。 這些元素往往通過凈化合金及微合金化兩個方面來改善合金。 稀土元素和堿土元 素凈化合金的作用比較明顯，而硼、鋯、鎂等主要起強(qiáng)化晶界作用。 控制晶界，常采用彎曲晶界以及取消橫向晶界的手段來提高高溫合金的晶 界性能。4碳化物強(qiáng)化及質(zhì)點彌散強(qiáng)化作用對于以碳化物析出沉淀硬化的鐵基和鉆基高溫合金，由于碳化物硬而脆的本 質(zhì)及其非共格析出的特點，其強(qiáng)化作

16、用有以下特點：（1）低溫下位錯以O(shè)rowan繞過方式通過碳化物第二相。高溫蠕變條件下，位 錯攀移機(jī)制起重要作用，位錯切割碳化物是非常困難的。（2）并非所有碳化物具有強(qiáng)的時效強(qiáng)化能力， 作為主要時效強(qiáng)化相的碳化物， 必須具備以下條件：1）具有高溫下可以溶解和低溫下析出的可能性。極穩(wěn)定的碳化物高溫下難 于溶解，低溫下就不能有效析出。2）碳化物的結(jié)構(gòu)與奧氏體基體相似，具有均勻析出的條件。晶界碳化物只 對晶界行為產(chǎn)生有利或不利的影響。3）作為主要強(qiáng)化相的惡碳化物必須有一定的穩(wěn)定性。高溫下容易長大的碳 化物將失去強(qiáng)化效果。（3）增加碳化物數(shù)量及彌散度有利于提高強(qiáng)化效果，但過分高的碳飽和度， 往往有利于形

17、成大塊碳化物（共晶及二次析出），引起脆性。一般碳化物總量不 能太大，因此強(qiáng)化程度是有限制的。（4）強(qiáng)化基體，減少元素的惡擴(kuò)散能力，這對于較易聚集長大的碳化物相來說是至關(guān)重要的?；w固溶體中的位錯及層錯處是碳化物析出形核處。時效析出前，固溶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)對碳化物的析出以及碳化物與位錯的交互作用有重要影響。碳化物在使用中發(fā)生的應(yīng)變時效有強(qiáng)的強(qiáng)化效果。（二）主要合金相（1）丫相丫相是鎳基合金和很多鐵基合金的強(qiáng)化相，其點陣常數(shù)與丫基體相近，一般相差1鳩下?？紤]到高溫下丫 的穩(wěn)定性，通常要求丫和y'之間只有較小 的失調(diào)度。丫沿基體的100面析出，并與基體共格。丫和丫之間的界面能 較低，所以丫有較高的

18、組織穩(wěn)定性。丫相的數(shù)量、尺寸和分布對合金的高溫強(qiáng)度有重要影響。鎳基合金的高溫 強(qiáng)度隨丫的數(shù)量增加而增高。大多數(shù)鎳基合金中丫相的體積分?jǐn)?shù)為30%上,最強(qiáng)的合金中達(dá)60沖上。合金中丫相的體積分?jǐn)?shù)小時，其顆粒大小和間距對 合金的性能有重要影響。（2）TCP相TCP相是指Laves相（RA）相（BA）、卩相侶7幾）、相等。其中A元素通常指周期表中Mn族以左的元素，如鈦族、釩族、鉻族等；B元素為錳族及錳族以右的元素，如鐵、鉆、鎳等。它呈板狀或針狀，在特殊成分并且在特定條件下 的合金中才可能形成。這種相存在的可能性隨錠塊中溶液偏析而增大，TCP相是高溫合金中的脆性相，使合金斷裂強(qiáng)度和塑性降低，對強(qiáng)化產(chǎn)生負(fù)

19、作用。（3）碳化物一類是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化物，如 M3C6、MC,亦稱半碳化物，金屬原子高 度密排，碳原子處于間隙位置。再者也是密排結(jié)構(gòu)，但由于金屬原子比較小，八 面體間隙太小，容不下間隙原子，所以這種密排結(jié)構(gòu)是具有較大的三棱形間隙的 結(jié)構(gòu)，間隙原子碳就在這種間隙位置，又稱非八面體間隙化合物，如MC MO。在熱處理和服役期，MC型碳化物傾向于分解為其他碳化物，如 M3C6和MC,并傾 向于在晶界形成。1.1.4高溫氧化（一）合金的氧化合金的氧化與純金屬的氧化存在許多相似之處，純金屬氧化中發(fā)生的現(xiàn)象，也常會在合金氧化中發(fā)生。合金氧化行為的特殊性表現(xiàn)在：（1）合金組元的選擇性氧化。合金各組元對氧化不同的親和力， 與氧親和力 大的組元優(yōu)先氧化。若此親和力相差懸殊，甚至可能形成只含有一種合金組分的 氧化膜，即發(fā)生組元的選擇性